內爆作用下不同類型填充墻對RC框架結構的影響

李 娟，叢培宇，劉 香，李 革，郭建圓

(內蒙古科技大學土木工程學院，內蒙古 包頭 014010)

近些年，國內外學者對爆炸荷載作用下鋼筋混凝土框架結構的動力響應及抗連續性倒塌、爆炸荷載作用下墻體的動力響應及破壞模式，以及使用高性能材料對墻體進行加固等方面進行了廣泛的研究。但是對于爆炸荷載作用下普通砌塊填充墻和加固砌塊填充墻對RC框架結構的影響以及采用泄爆填充墻的研究相對較少。實際的普通砌塊填充墻的框架結構以及將填充墻體進行加固并應用在結構中的框架結構，在內爆作用下由于填充墻體的存在可能會導致爆炸沖擊波被約束在一定的空間內并進行反射使爆炸產生的能量難以耗散，造成框架結構可能會受到不同程度的沖擊作用，所以不同類型填充墻對框架結構主體的影響不容忽視。本文介紹了利用ANSYS/LS-DYNA模擬分析2 層L型RC框架結構在相同內爆條件下分別設置普通混凝土砌塊填充墻、碳纖維布加固砌塊填充墻、加固泄爆組合填充墻時構件損壞程度的過程，并據此研究內爆作用下不同類型填充墻對RC框架結構的影響。這對減輕建筑物在爆炸荷載作用下的結構破壞，減少人員傷亡及財產損失具有積極作用。

1 數值模擬方法驗證

1.1 對比試驗概況

依據文獻[1-2]介紹的爆炸荷載作用下結構試驗模型建立數值模擬模型。文獻[1]敘述的是框架結構試驗模型，其尺寸為長×寬×高=75 cm×60 cm×50 cm，采用200 g乳化炸藥，爆點高度為層間凈高的一半。文獻[2]介紹的是采用1/2縮比的砌塊填充墻模型，空心砌塊錯縫砌筑于凈高150 cm、凈寬110 cm的鋼筋混凝土平面框架內，框架梁、柱的截面尺寸為20 cm×20 cm，砌塊墻左右兩側與混凝土框架柱均保持5 cm的間距，墻體背部采用三層碳纖維布加固，每層厚度為0.016 7 cm，400 g的TNT炸藥位于砌塊填充墻正面的中心處。

1.2 材料模型、單元類型及算法

鋼筋混凝土與混凝土砌塊采用*MAT_BRITTLE_DAMAGE模型。這種復合材料模型能夠很好描述高應變率條件下混凝土及砌體響應問題，而且材料定義中包含配筋率選項，可以方便定義鋼筋和混凝土材料屬性，適用于模擬鋼筋混凝土框架及砌體填充墻實體單元模型[3-5]。通過添加關鍵字*MAT_ADD_EROSION定義混凝土材料的失效應變。碳纖維布用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC模擬。炸藥采用*HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型，通過添加關鍵字*EOS_JWL來描述炸藥爆轟過程[6-7]。空氣采用*MAT_NULL模型以及線性多項式*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL狀態方程描述。

本文討論的鋼筋混凝土框架結構及混凝土砌塊填充墻使用3DSOLID八節點實體單元，碳纖維布采用SHELL163單元。在數值模擬中，固體用Lagrange單元算法，空氣和炸藥采用單點ALE多物質單元算法，SHELL163單元選擇Belytschko-Tsay單點積分的殼單元算法，通過*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID這一關鍵字實現流固耦合[8]。文獻中介紹的試驗模型與本文建立的有限元模型分別如圖1～2所示。

圖1 文獻[1]中的試驗模型與建立的對應有限元模型Fig.1 The experimental model in literature [1] and the corresponding finite element model established

圖2 文獻[2]中的試驗模型與建立的對應有限元模型Fig.2 The experimental model in literature [2] and the corresponding finite element model established

1.3 模擬結果驗證

文獻[1]中介紹的爆炸荷載作用下框架結構破壞形態與本文數值模擬破壞形態對比如圖3所示，試驗結果和數值模擬結果中頂板和梁柱節點的破壞形態基本一致，梁板交界區域均呈現沖切開裂破壞特征，頂板均呈現彎曲和沖切破壞，裂縫沿著板的塑性鉸線開展(見圖3a、圖3b)；梁柱節點區域均為沖切破壞特征，同時伴隨有邊梁沿著弱軸外翻現象(見圖3c、圖3d)。

圖3 文獻[1]中試驗結果與數值模擬結果對比Fig.3 Comparison of experimental results and numerical simulation results in literature [1]

選擇文獻[1]中試驗的P2測點的空氣超壓時程數據與本文數值模擬中對應P2測點(見圖1b)的模擬結果進行對比，P2測點的空氣超壓時程如圖4所示。文獻[1]中試驗測得的P2測點首個壓力峰值為6.397 2 MPa，而數值模擬結果中P2測點首個壓力峰值為6.43 MPa，兩者誤差約0.5%。隨著時間的增加，試驗和模擬中P2測點處的壓力都在減小并逐漸恢復到一個大氣壓下。數值模擬得到的P2測點空氣超壓時程與試驗所得空氣超壓時程在超壓上升段及第二次峰值出現前，趨勢和數值差異很小。雖然兩段曲線在超壓下降后的平滑段存在一定的差異，但差異不大，且超壓第二峰值出現后，爆炸荷載對結構的損傷及破壞已形成，之后的超壓曲線平滑段的差異對結構的損傷及破壞程度影響很小。

圖4 P2測點空氣壓力時間歷程Fig.4 P2 measuring point air pressure time history

文獻[2]中介紹的爆炸荷載作用下碳纖維布加固砌塊填充墻的破壞形態、破壞面積與本文數值模擬的破壞形態、破壞面積對比如圖5所示。文獻[2]試驗和本文數值模擬中的碳纖維布加固砌塊填充墻正爆面靠近爆炸位置處都產生了局部破壞，試驗砌塊填充墻正爆面產生高約30 cm、寬約25 cm的洞口，數值模擬結果中砌塊填充墻正爆面破壞洞口高約32 cm、寬約28 cm(見圖5a、圖5b)；在碳纖維布加固砌塊填充墻背爆面靠近爆心投影點附近的碳纖維布均發生水平和垂直方向的拉伸斷裂破壞，破壞區域均呈近似矩形狀，試驗砌塊填充墻背爆面碳纖維布破壞區域高約15 cm，寬約15 cm，數值模擬結果中砌塊填充墻背爆面碳纖維布破壞區域高約17 cm、寬約13 cm(見圖5c、圖5d)。由此可見，本文數值模擬結果與文獻[2]中試驗結果呈現的墻體破壞位置、形態基本一致，破壞區域面積相差約6.7%～13.3%。

圖5 文獻[2]中試驗結果與數值模擬結果對比Fig.5 Comparison of experimental results and numerical simulation results in literature [2]

通過文獻[1-2]中試驗結果與本文模擬結果的對比，可以看出數值模擬結果與試驗結果在構件破壞形態到具體數據都能保持基本一致且差距較小，說明本文采用針對爆炸荷載作用下RC框架結構及填充墻的數值模擬方法及參數選取是適用的、合理的。

2 RC框架結構數值模擬

2.1 算例模型

考慮到計算機性能以及計算效率問題，從某實際建筑物中截取局部2 層L型RC框架結構部分作為研究對象。該建筑物層高4.5 m，125 kg TNT炸藥在建筑內部爆炸，建筑平面及炸藥平面位置如圖6a所示，三維模型如圖6b所示。其中，建筑物填充墻為300 mm厚混凝土砌塊填充墻，砌塊的強度為B06級，砌筑砂漿強度為M 5.0。樓板、梁、柱結構混凝土強度均為C30。構件配筋按照原設計設置。樓板厚為120 mm，柱子截面尺寸為600 mm×600 mm，①、③軸主梁尺寸為300 mm×1 000 mm，②軸主梁尺寸為350 mm×850 mm，A、B、C軸主梁尺寸為350 mm×850 mm。由于炸藥設置在建筑物二層，對底層墻體影響很小，故模型只建立了二層墻體。為了研究內爆作用下不同類型填充墻對RC框架結構的影響，在該模型的基礎上改變填充墻類型，共形成3個算例模型。3個算例模型的填充墻類型如表1所示。

圖6 算例建筑設計尺寸及三維模型Fig.6 Architectural design size and three-dimensional model

表1 不同類型填充墻的RC框架結構模型算例

2.2 數值模擬結果分析

利用LS-DYNA對以上3個算例在內爆作用下的受力及損壞過程進行模擬分析，并將計算所得數據用后處理軟件LS-PERPOST進行可視化處理，分別得到3個算例在100 ms時的破壞形態。

內爆作用下設置普通混凝土砌塊填充墻的RC框架結構(見圖7)，炸藥所在位置頂板和底板四周首先發生沖切破壞，之后板中心產生指向四周的斜裂縫，并鼓起；隨著爆炸產生的沖擊波向外傳播，距起爆點較遠的AB跨頂板底板下表面開裂；③軸BC跨二層主梁跨中和梁柱節點處發生了破壞，表現出典型的彎剪破壞；③軸BC跨一層主梁與次梁節點處發生沖切破壞；③軸與C軸交匯處、②軸與B軸交匯處的二層框架柱柱底發生了破壞；其余RC框架梁、柱未發生破壞。

圖7 算例1破壞形態Fig.7 Failure mode of example 1

內爆作用下全部墻體設置為碳纖維布加固砌塊填充墻的RC框架結構(見圖8)，鋼砼樓板的破壞位置、形態與設置普通混凝土砌塊填充墻的RC框架結構中鋼砼樓板的破壞位置、形態相似；③軸BC跨、C軸23 跨二層主梁在梁柱節點處發生早期直剪破壞；C軸23 跨一層主梁有外翻現象；②軸與B軸交匯處第二層框架柱柱頂發生了剪切破壞。

圖8 算例2破壞形態Fig.8 Failure mode of example 2

內爆作用下設置加固泄爆組合填充墻的RC框架結構(見圖9)，鋼砼樓板的破壞位置、形態與前兩者鋼砼樓板的破壞位置、形態相似；梁、柱以及梁柱節點均未發生破壞，只有部分構件中部出現一些裂紋。

圖9 算例3破壞形態Fig.9 Failure mode of example 3

由圖7～圖9中3個算例模型的破壞形態可以看出，設置不同類型填充墻的RC框架結構在內爆作用下的梁、柱破壞情況有較大差異。設置普通混凝土砌塊填充墻和將砌塊填充墻全部進行碳纖維布加固的兩組RC框架結構的梁、柱損傷、破壞程度非常嚴重。采用加固泄爆組合填充墻的RC框架結構與前兩者相比，梁、柱基本完好，構件損傷程度最輕。

設置不同類型填充墻的RC框架結構中框架主梁跨中外側面單元最大主應變時間歷程如圖10所示，該單元位于③軸BC跨第二層主梁跨中外側面。其中，設置普通混凝土砌塊填充墻的RC框架結構和設置碳纖維布加固砌塊填充墻的RC框架結構中該單元的最大主應變均在15 ms時發生較大向下突變，并于20 ms時趨近于0。這說明在以上兩種結構中，該梁早在20 ms時已發生嚴重破壞。而采用加固泄爆組合填充墻的RC框架結構中該單元最大主應變在50 ms時出現峰值，且在峰值前后一直處于波動變化狀態，說明該梁直到100 ms時仍未破壞。

圖10 框架梁跨中外側面單元的最大主應變時間歷程Fig.10 Time history of the maximum principal strain of middle and outer side elements of the frame beam span

設置不同類型填充墻的RC框架結構中框架柱底外側面單元最大主應變時間歷程如圖11所示，該單元位于②軸與B軸交匯處第二層框架柱底外側面。3種設置不同填充墻的RC框架結構中該柱單元最大主應變在0至75 ms之間一直持續增大；設置普通混凝土砌塊填充墻的RC框架結構中該柱單元的最大主應變在87 ms時突降為0，柱發生破壞；設置碳纖維布加固砌塊填充墻的RC框架結構中該柱單元的最大主應變在82 ms時突然大幅減小，并在很短的平穩期后急速下降為0，柱發生破壞；采用加固泄爆組合填充墻的RC框架結構中該柱單元最大主應變在75 ms后一直在較高值范圍內平穩波動變化，說明該柱直到100 ms時仍未破壞。

圖11 框架柱底外側面單元的最大主應變時間歷程Fig.11 Time history of the maximum principal strain of the outer side element of the frame column bottom

從以上梁、柱單元最大主應變時間歷程對比可以看出，在內爆作用下，采用加固泄爆組合填充墻的RC框架結構中梁、柱的損壞程度遠低于普通混凝土砌塊填充墻和碳纖維布加固砌塊填充墻的RC框架結構，這是由于加固泄爆組合填充墻是由泡沫混凝土砌塊填充墻與碳纖維布加固砌塊填充墻兩部分墻體組成，內爆作用下采用碳纖維布加固的砌塊填充墻產生的碎片不易飛濺，泡沫混凝土砌塊填充墻率先破碎，因此改善了沖擊波難以耗散的問題，降低了大量碎片飛濺對人員造成的二次傷害以及財產的二次損害，同時減輕了RC框架主體結構受到的爆炸沖擊作用。

3 結語

1)在一定爆炸當量的內爆作用下，設置不同類型填充墻的RC框架結構中梁、柱發生損傷或破壞的位置、形式及程度有較大差異。填充墻類型對內爆作用下多層RC框架結構的影響不容忽視。因此，在對多層RC框架結構進行防爆泄爆設計時應充分考慮填充墻類型對主要受力構件受荷情況的影響。

2)從模型破壞形態圖和梁、柱單元最大主應變對比中都可以看出，采用加固泄爆組合填充墻的RC框架結構中梁、柱的損傷程度遠低于普通混凝土砌塊填充墻和碳纖維布加固砌塊填充墻的RC框架結構。設置加固泄爆組合填充墻可對減輕RC框架結構破壞、保護人員和財產安全起到積極作用。

3)通過本文算例可以看出，由于受荷面大，即使是在梁、柱未發生破壞的前提下，鋼砼樓板也會發生較嚴重破壞。樓板的破壞仍可引起人員傷亡和財產損失。在一定爆炸當量下，如何有效減小樓板的損傷程度仍需進行進一步研究。